Standardy obrazów telewizyjnych

Na standard obrazu telewizyjnego składają się następujące podstawowe parametry:

• proporcje obrazu wyrażone stosunkiem jego szerokości do wysokości,
• częstotliwość odświeżania pola,
• współczynnik międzyliniowości,
• kierunek analizy obrazu,
• liczba linii wybierania obrazu.

Wybór podstawowych parametrów był uwarunkowany właściwościami wzroku, aktualnym stanem techniki i czynnikami zewnętrznymi. Takim absolutnie fundamentalnym czynnikiem zewnętrznym, który podzielił świat telewizyjny na dwa obozy, jest częstotliwość prądu w sieci energetycznej. Aby ograniczyć wpływ na obraz przydźwięku pochodzącego od zasilacza odbiornika TV oraz migotania źródeł oświetlenia sceny zasilanych z sieci prądu przemiennego, należało zsynchronizować częstotliwość odświeżania pola z siecią energetyczną. Na świecie stosuje się obecnie dwie częstotliwości prądu przemiennego w sieci energetycznej: 50 Hz i 60 Hz. 60 Hz występuje na zachodniej półkuli (z wyjątkiem Grenlandii i Argentyny) oraz w Korei Pd., Tajwanie, Filipinach, Arabii Saudyjskiej i połowie Japonii. Reszta świata stosuje 50 Hz.

Proporcje obrazu

Dla telewizji o standardowej rozdzielczości (SDTV) przyjęto format obrazu o proporcjach szerokości do wysokości 4:3 (12:9), taki jak w pierwszych niemych filmach. Natomiast dla telewizji szerokoekranowej przyjęto format 16:9 jako kompromis pomiędzy stosowanymi filmowymi formatami panoramicznymi.

Częstotliwość odświeżania pola

Zsynchronizowana z częstotliwością sieci energetycznej w danym kraju: f_V = 60 Hz lub 50 Hz.

Współczynnik międzyliniowości

W celu ograniczenia pasma wizji i szerokości kanału telewizyjnego do aktualnych możliwości technicznych wprowadzono podział obrazu (ramki) na dwa pola: nieparzystego, składającego się tylko z linii nieparzystych i parzystego, składającego się tylko z linii parzystych. Pola są wybierane kolejno, co pozwala zmniejszyć migotanie jasnych powierzchni obrazu dzięki wykorzystaniu ograniczonej rozdzielczości i bezwładności wzroku. Oznacza to, że obraz ma współczynnik międzyliniowości 2:1. Aby sygnały odchylające wiązkę elektronów w kineskopie miały identyczny kształt i amplitudę, liczba linii obrazu musi być nieparzysta.

Kierunek analizy obrazu

Ze względu na większą rozdzielczość wzroku w kierunku poziomym stosuje wybieranie poziome. Analiza i synteza obrazu przebiega synchronicznie z lewej do prawej i z góry do dołu.

Liczba linii wybierania obrazu telewizji o standardowej rozdzielczości SDTV

Parametr wynika z proporcji obrazu i częstotliwości odświeżania pola. Jest ograniczony szerokością kanału TV i częstotliwością wybierania poziomego. Dla współczynnika międzyliniowości 2:1 częstotliwość ta powinna wypaść w górnej części pasma akustycznego. Dla częstotliwości odświeżania pola f_V = 60 Hz przyjęto całkowitą liczbę linii w obrazie równą 525, co daje częstotliwość wybierania poziomego f_H = 525*60/2 = 15 750 Hz. Natomiast dla częstotliwości odświeżania pola f_V = 50 Hz przyjęto całkowitą liczbę linii w obrazie równą 625, co daje częstotliwość wybierania poziomego f_H = 625*50/2 = 15 625 Hz.

Ze względu na czas potrzebny dla powrotu wiązki elektronów do rozpoczęcia wybierania kolejnej linii część sygnału wizyjnego każdej linii zawiera tzw. impuls gaszący, który czyni powroty wiązki niewidocznymi na ekranie kineskopu. W standardzie 625/50 okres wybierania linii wynosi 64 μs, z czego impuls gaszący trwa 12 μs.

Także powrót wiązki z dolnej do górnej części ekranu po zakończeniu wybierania pola, aby rozpocząć wybieranie następnego, również wymaga czasu. W standardzie 625/50 impuls gaszący ramki zajmuje 25 linii, co powoduje, że aktywnych linii jest tylko 575. Natomiast w standardzie 525/60 impuls gaszący ramki zajmuje 20 linii pozostawiając 485 linii aktywnych.

Rozdzielczość obrazu telewizji o standardowej rozdzielczości (SDTV)

Obecnie w dobie powszechnej obróbki cyfrowej sygnału telewizyjnego listę należy uzupełnić o rozdzielczość obrazu wyrażoną liczbą pikseli w kierunku poziomym i pionowym oraz o współczynnik kształtu piksela.

Parametry opisane w Zaleceniu ITU-R BT.601 są wynikiem wieloletnich dążeń do maksymalnego ujednolicenia standardów 50 Hz i 60 Hz w celu ułatwienia ich konwersji podczas wymiany międzynarodowej programów, szczególnie podczas transmisji na żywo. Poniżej zestawienie podstawowych parametrów obu systemów SDTV.

Porównanie standardów SDTV

System amerykański przyjęty przez FCC charakteryzuje się większą częstotliwością odświeżania pola (60 Hz), co zapewnia większą płynność reprodukcji ruchu i mniejsze migotanie obrazu w porównaniu ze standardem europejskim zwanym czasami nieprawidłowo CCIR. Natomiast standard europejski zapewnia wyższą rozdzielczość obrazu: 702 x 576 w porównaniu do 711 x 486 pikseli. Należy tu jeszcze dodać, że jest to rozdzielczość osiągalna tylko dla ekranów o sztywnej strukturze rastrowej, takich jak PDP czy LCD. Liczba linii wyświetlanych na ekranie kineskopu zwykle jest mniejsza o ok. 5% ze względu na tzw. overscan, czyli ustawienie napięć odchylania z zapasem na zmiany rozmiarów obrazu związanych ze zmianami luminancji.

Wyraźne różnice jakości odtwarzania obrazów na korzyść systemu europejskiego pojawiły się dopiero po wprowadzeniu transmisji w kolorze. System NTSC przyjęty przez FCC charakteryzuje się wrażliwością na zmiany fazy w torze transmisyjnym, co powoduje niestabilność odcienia (hue) reprodukowanych kolorów i konieczność ich ręcznego regulowania. Natomiast wprowadzony w Europie system PAL jest ulepszeniem systemu NTSC pozbawionym tej wady. Ale takie są koszty bycia pionierem: NTSC był pierwszy, a PAL ostatni.

Różnica częstotliwości odświeżania pola przysparza najwięcej problemów podczas konwersji materiałów przygotowanych w USA na standard europejski. Objawia się to najczęściej brakiem płynności ruchu (skoki) na ekranie, ponieważ w każdej sekundzie emisji należy „zgubić” 5 ramek, a więc średnio jedną co 0,2 s. Wady tej nie mają konwertery wysokiej jakości dokonujące cyfrowej interpolacji pól.

Założenia standardu HDTV

• Rozdzielczość obrazu zbliżona do filmu 35 mm, a więc co najmniej dwukrotnie większa w stosunku do SDTV,
• Z odległości 3h struktura liniowa obrazu niewidoczna,
• Liczba linii powinna zapewniać łatwą konwersję do SDTV,
• Maksymalna zgodność parametrów dla obu stosowanych częstotliwości odświeżania pola.

Rozdzielczość obrazu telewizji o wysokiej rozdzielczości (HDTV)

Jako pierwszy pojawił się analogowy standard japoński HDTV o 1125 liniach i 60 polach/s. Europa odpowiedziała własnym standardem o 1250 liniach i 50 polach/s. Wspólnym parametrem dla obu propozycji okazała się liczba próbek luminancji w aktywnej części linii cyfrowej, pochodząca w prostej linii od liczby aktywnych próbek linii obrazu o standardowej rozdzielczości równej 720.

Ponieważ HDTV (obraz 16:9) z założenia ma mieć rozdzielczość dwukrotnie większą niż SDTV (obraz 12:9), więc liczba próbek wyniesie 720*2*16/12 = 1440*4/3 = 1920. Podobnie jak dla SDTV piksele nie będą kwadratowe.

Ulegając naciskowi ze strony kinematografii i branży komputerowej ITU-R wprowadził w Zaleceniu BT.701 trzeci standard oparty na tzw. Common Image Format – CIF. Wg tej koncepcji zaproponowanej przez Australię obraz w obu systemach składałby się z identycznej liczby, jednakowo rozmieszczonych kwadratowych elementów (pikseli), a całkowita liczba linii i częstotliwość odświeżania pozostałyby różne dla obu systemów. Jak łatwo wyliczyć dla 1920 próbek liczba linii obrazu wyniesie 1920*9/16 = 1080. Jest to standard 1080i gdzie „i” oznacza interlaced scanning, czyli wybieranie międzyliniowe.

Ponadto w użyciu istnieje jeszcze inna odmiana standardu HDTV oparta na 60 ramkach/s (wybieranie kolejnoliniowe 1:1) wymagająca podobnej przepływności bitowej dla sygnału skomprymowanego co standard 1080i. W porównaniu z SDTV rozdzielczość pozioma wzrasta jedynie o 1/3, a nie dwukrotnie jak dla 1080i, ale dzięki wybieraniu kolejnoliniowemu odwzorowanie ruchu jest lepsze i w badaniach subiektywnych jakość obu wersji jest podobna. Liczbę aktywnych próbek oblicza się następująco:720* 4/3*16/12 = 720*16/9 = 1280. Liczba linii wyniesie dokładnie 720. Jest to standard 720p gdzie „p” oznacza progressive scanning, czyli wybieranie kolejnoliniowe.

Zobacz wszystkie telewizory w Infotece.